JP6507567B2 - Optical element and image display device - Google Patents
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Description
Translated fromJapanese本発明は、光学素子、画像表示装置および光学素子の製造方法に関するものである。 The present invention relates to an optical element, an image display device, and a method of manufacturing an optical element.
近年、光源装置から射出した画像光を観察者の眼に導いて、観察者に画像（虚像）を観察させる画像表示装置が商品化されている。例えば、画像表示装置の一種であるヘッドマウントディスプレイでは、小型化、広画角化、高効率化に関する開発が行われている。このようなヘッドマウントディスプレイにおいては、観察者の目に画像光を導くための構成として画像光を入射方向とは異なる方向に回折によって偏向する回折光学素子を用いている。例えば、下記特許文献１に示すヘッドマウントディスプレイでは、反射型の回折光学素子を用いることで小型化が図られている。 2. Description of the Related Art In recent years, an image display apparatus has been commercialized that guides image light emitted from a light source device to the eye of the observer and causes the observer to observe an image (virtual image). For example, in the case of a head mounted display, which is a type of image display device, developments have been made on downsizing, wide angle of view, and high efficiency. In such a head mounted display, a diffractive optical element that deflects the image light in a direction different from the incident direction is used as a configuration for guiding the image light to the eyes of the observer. For example, in the head mounted display shown in Patent Document 1 below, miniaturization is achieved by using a reflective diffractive optical element.
ところで、回折光学素子を用いた場合、画像光として利用される１次回折光以外に、回折されることなく回折光学素子を透過もしくは反射される０次光が存在する。０次光の割合は、回折光学素子の仕様、波長、入射角度等に依存するものの、回折光学素子へ入射した光のうち０次光を無くすことは非常に困難である。
上記従来技術においても、回折光学素子により０次回折光が生じ、特に透過した成分が観察者とは反対側へ出射することでヘッドマウントディスプレイの使用者以外の他人にも観察されてしまい、セキュリティー上問題となっていた。By the way, when a diffractive optical element is used, zero-order light which is transmitted or reflected by the diffractive optical element without being diffracted exists other than the first-order diffracted light used as image light. Although the ratio of zero-order light depends on the specifications of the diffractive optical element, the wavelength, the incident angle, etc., it is very difficult to eliminate the zero-order light in the light incident on the diffractive optical element.
Also in the above-mentioned prior art, the zero-order diffracted light is generated by the diffractive optical element, and in particular, the transmitted component is emitted to the side opposite to the observer and is observed also by other persons than the head mount display user. It was a problem.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、画像光が０次光として外部に出射されることを抑制してセキュリティー性を向上させた光学素子、画像表示装置および光学素子の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and it is an optical element, an image display device, and an optical element in which security is improved by suppressing that image light is emitted to the outside as zero-order light. The purpose is to provide a manufacturing method.
本発明の第１態様に従えば、画像光の少なくとも一部を観察者の瞳に向けて偏向する光学素子であって、前記画像光が入射する第１反射型回折素子と、前記第１反射型回折素子の前記瞳とは反対側に積層される第２反射型回折素子と、を含む積層体からなる光学素子が提供される。 According to a first aspect of the present invention, there is provided an optical element for deflecting at least a part of image light toward the pupil of an observer, wherein the first reflection-type diffractive element on which the image light is incident; An optical element comprising a laminate including: a second reflective diffractive element stacked on the side opposite to the pupil of the diffractive diffractive element is provided.
第１反射型回折素子に画像光が入射すると、１次回折光および０次回折光が生成される。１次回折光は観察者の瞳に入射するが、０次回折光の一部は第１反射型回折素子を透過して瞳と異なる方向に進む。
これに対して第１態様に係る光学素子を採用すれば、第１反射型回折素子を透過した透過０次回折光を第２反射型回折素子により１次回折光として瞳に集光させることができる。よって、光学素子を透過して外部に射出されてしまう透過光（０次回折光）の強度を低減することができる。したがって、光学素子における瞳と反対側にいる別の観察者に画像光（透過０次回折光）を視認させ難くするので、セキュリティー性を向上させることができる。When the image light is incident on the first reflective diffraction element, first-order diffracted light and zero-order diffracted light are generated. The first-order diffracted light enters the pupil of the observer, but a part of the zero-order diffracted light passes through the first reflective diffraction element and travels in a direction different from that of the pupil.
On the other hand, if the optical element according to the first aspect is employed, it is possible to condense the transmitted zeroth-order diffracted light transmitted through the first reflective diffraction element on the pupil as first-order diffracted light by the second reflective diffraction element. Therefore, the intensity of the transmitted light (0th-order diffracted light) transmitted through the optical element and emitted to the outside can be reduced. Therefore, it is difficult for another observer on the opposite side of the pupil of the optical element to visually recognize the image light (transmitted zeroth-order diffracted light), and security can be improved.
上記第１態様において、前記第１反射型回折素子および前記第２反射型回折素子は、互いの干渉縞の間隔が異なっている構成としてもよい。
この構成によれば、第２反射型回折素子で回折された後に第１反射型回折素子を透過した回折光を瞳に良好に集光させることができる。In the first aspect, the first reflective diffraction element and the second reflective diffraction element may be configured such that the distance between the interference fringes is different.
According to this configuration, the diffracted light that has been diffracted by the second reflective diffraction element and transmitted through the first reflective diffraction element can be well condensed on the pupil.
上記第１態様において、前記第２反射型回折素子は、前記第１反射型回折素子よりも前記干渉縞の間隔が狭い構成としてもよい。
この構成によれば、上述のように回折光を瞳に良好に集光させる構造を実現することができる。In the first aspect, the second reflective diffraction element may be configured such that the distance between the interference fringes is narrower than that of the first reflective diffraction element.
According to this configuration, it is possible to realize the structure for well condensing diffracted light on the pupil as described above.
上記第１態様において、前記第１反射型回折素子および前記第２反射型回折素子は、前記瞳の奥行方向の所定範囲に前記画像光を集光させるように偏向する素子であってもよい。
この構成によれば、画像光の集光位置にマージンを持たせることができるので、回折素子の製造が容易となる。In the first aspect, the first reflection-type diffraction element and the second reflection-type diffraction element may be elements that deflect the image light to condense in a predetermined range in the depth direction of the pupil.
According to this configuration, a margin can be given to the condensing position of the image light, so that the manufacture of the diffraction element becomes easy.
上記第１態様において、前記所定範囲は、前記瞳から眼球の回転中心までの距離に基づいて設定される構成としてもよい。
この構成によれば、画像光の集光位置のずれ量を瞳から眼球の回転中心までの距離に基づいて設定された許容範囲内に設定することができる。よって、眼球の回転により視界が切れる部分が発生するのを抑制することができ、良好な画像視認性を実現することができる。In the first aspect, the predetermined range may be set based on the distance from the pupil to the center of rotation of the eyeball.
According to this configuration, it is possible to set the amount of deviation of the condensing position of the image light within the allowable range set based on the distance from the pupil to the rotation center of the eyeball. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of a part where the field of view is cut off by the rotation of the eyeball, and it is possible to realize good image visibility.
上記第１態様において、前記積層体は、湾曲形状を有する構成としてもよい。
この構成によれば、像面（画像光）の形状歪や非点収差を積層体の湾曲度合いにより補正することができる。In the first aspect, the laminate may have a curved shape.
According to this configuration, it is possible to correct shape distortion and astigmatism of the image plane (image light) by the degree of curvature of the laminate.
本発明の第２態様に従えば、光源からの光を走査して画像光を生成する画像光生成部と、上記第１態様の光学素子と、を備える画像表示装置が提供される。 According to a second aspect of the present invention, there is provided an image display device comprising an image light generation unit that scans light from a light source to generate image light, and the optical element of the first aspect.
第２態様に係る画像表示装置によれば、上記光学素子を備えるので、該画像表示装置自体も画像光を第三者に視認されるおそれが低いセキュリティー性に優れたものとなる。 According to the image display device of the second aspect, since the above-described optical element is provided, the image display device itself is excellent in security with a low possibility that the image light is viewed by a third party.
上記第２態様において、前記画像光生成部は、前記光学素子に向かう前記光源からの前記光の光路の途中に設けられた波長補償素子をさらに備え、前記波長補償素子は、前記光が入射する第３反射型回折素子と、前記第３反射型回折素子における前記光の入射面とは反対側に積層される第４反射型回折素子と、を含む構成としてもよい。
この構成によれば、光源からの光の波長が変動した際に生じる画像光の位置ずれを波長補償素子によって補償することができるので、観察者の瞳に良好に画像光を集光させることができる。
また、第３反射型回折素子および第４反射型回折素子により１次回折光が効率良く生成されるので、装置内において迷光となる０次回折光の強度が低下し、迷光による画像の劣化を抑制できる。In the second aspect, the image light generation unit further includes a wavelength compensation element provided on an optical path of the light from the light source toward the optical element, and the wavelength compensation element receives the light. It may be configured to include a third reflective diffraction element, and a fourth reflective diffraction element stacked on the side opposite to the light incident surface of the third reflective diffraction element.
According to this configuration, since the positional deviation of the image light generated when the wavelength of the light from the light source fluctuates can be compensated by the wavelength compensation element, the image light can be well condensed on the pupil of the observer. it can.
In addition, since the first-order diffracted light is efficiently generated by the third reflection-type diffraction element and the fourth reflection-type diffraction element, the intensity of zero-order diffracted light that becomes stray light in the device is reduced, and image deterioration due to stray light can be suppressed. .
本発明の第３態様に従えば、画像光を観察者の瞳に向けて偏向する光学素子の製造方法であって、前記画像光が入射する第１反射型回折素子を干渉露光により形成する第１工程と、第２反射型回折素子を干渉露光により形成する第２工程と、前記第１反射型回折素子の前記瞳とは反対側に前記第２反射型回折素子を貼り合せる第３工程と、を備え、前記第２工程においては、前記第２反射型回折素子の未露光材料に対して前記第１反射型回折素子の厚さだけ移動させた状態で前記干渉露光を行う光学素子の製造方法が提供される。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an optical element for deflecting image light toward the pupil of an observer, wherein the first reflective diffraction element on which the image light is incident is formed by interference exposure. 1 step, a second step of forming a second reflective diffraction element by interference exposure, and a third step of bonding the second reflective diffraction element on the opposite side of the pupil of the first reflective diffraction element And, in the second step, manufacturing an optical element performing the interference exposure in a state of being moved by the thickness of the first reflective diffraction element with respect to the unexposed material of the second reflective diffraction element. A method is provided.
第３態様に係る光学素子の製造方法によれば、第１反射型回折素子の厚さを考慮して第２反射型回折素子を露光して形成するので、回折光を観察者の瞳に良好に集光可能な積層構造の光学素子を製造することができる。 According to the method of manufacturing an optical element in the third aspect, the second reflective diffraction element is formed by exposing the second reflective diffraction element in consideration of the thickness of the first reflective diffraction element, so that diffracted light is good for the observer's pupil. An optical element having a laminated structure that can collect light can be manufactured.
上記第３態様において、前記第２工程においては、前記第１反射型回折素子と同じ屈折率のダミー部材を用いて前記干渉露光を行う構成としてもよい。
この構成によれば、ダミー部材により第１反射型回折素子の屈折率を考慮して第２反射型回折素子を露光して形成するので、回折光を観察者の瞳に良好に精度良く集光させることができる光学素子を製造できる。In the third aspect, the interference exposure may be performed using a dummy member having the same refractive index as that of the first reflective diffraction element in the second step.
According to this configuration, the second reflection type diffraction element is formed by exposing the second reflection type diffraction element in consideration of the refractive index of the first reflection type diffraction element by the dummy member, so that the diffracted light is collected on the pupil of the observer with good accuracy. Can produce an optical element that can be
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
In the drawings used in the following description, in order to make the features easy to understand, the features that are the features may be enlarged for the sake of convenience, and the dimensional ratio of each component may be limited to the same as the actual Absent.
（第１実施形態）
本実施形態に係る画像表示装置は、透過型のヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ：Ｈｅａｄ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ）である。図１は、本実施形態に係る透過型の表示装置としてのＨＭＤを示す概略構成図である。First Embodiment
The image display apparatus according to the present embodiment is a transmissive head mounted display (HMD). FIG. 1 is a schematic configuration view showing an HMD as a transmission type display device according to the present embodiment.
以下、図面において必要に応じてＸＹＺ座標系を用いて説明する。各図において、Ｘ方向とは透過型表示装置を装着する観察者の眼の配列方向、すなわち観察者の左右方向を規定し、Ｙ方向とはＸ方向に直交し、観察者の前後方向を規定し、Ｚ方向はＸＺ方向に直交する方向である鉛直方向を規定する。 The following description will be given using the XYZ coordinate system as needed in the drawings. In each figure, the X direction defines the arrangement direction of the eye of the observer wearing the transmissive display device, that is, the left and right direction of the observer, and the Y direction is orthogonal to the X direction and defines the anteroposterior direction of the observer The Z direction defines a vertical direction which is a direction orthogonal to the XZ direction.
本実施形態に係る表示装置１０は、例えば、観察者の頭部に装着等によって画像を瞳に向けて表示可能なものである。表示装置１０は、図１に示すように、使用者の左眼ＬＥに重なる左眼用の光学素子２Ｌと、左眼用の画像光生成部１Ｌと、使用者の右眼ＲＥに重なる右眼用の光学素子２Ｒと、右眼用の画像光生成部１Ｒと、を備えている。 The
画像光生成部１Ｌは、画像光Ｇを光学素子２Ｌに向けて射出する。光学素子２Ｌは、透過した外光を観察者の左眼ＬＥに入射させるとともに、画像光生成部１Ｌからの画像光Ｇを反射して観察者の左眼ＬＥに集光する。 The
同様に、画像光生成部１Ｒは、画像光Ｇを光学素子２Ｒに向けて射出する。光学素子２Ｒは、透過した外光を観察者の右眼ＲＥに入射させるとともに、画像光生成部１Ｒからの画像光Ｇを反射して観察者の右眼ＲＥに集光する。 Similarly, the image
したがって、観察者は、光学素子２Ｌ及び光学素子２Ｒを介して観察される像と、画像光生成部１Ｌおよび画像光生成部１Ｒによる各表示画像と、を重畳した画像を知覚する。このように、観察者は、光学素子２Ｌ及び光学素子２Ｒを介して、表示装置１０による表示画像と外界の画像（景色等）Ｇ１とを同時に見る（観察する）ことが可能であり、虚像を視認することができる。Therefore, the observer perceives an image in which the image observed through the
また、相互に視差が付与された立体視画像（左眼用画像および右眼用画像）を画像光生成部１Ｌおよび画像光生成部１Ｒに表示させることで、観察者に表示画像の立体感を知覚させることも可能である。 In addition, the stereoscopic image (the image for the left eye and the image for the right eye) to which parallax is given mutually is displayed on the image
画像光生成部１Ｒおよび画像光生成部１Ｌは、右眼用および左眼用の画像を生成する以外、同一の構造を有している。また、光学素子２Ｒ及び光学素子２Ｌも、右眼用および左眼用の画像を生成する以外、同一の構造を有している。
そのため、以下では画像光生成部１Ｒおよび光学素子２Ｒを例に挙げ、その構造について説明する。The
Therefore, in the following, the image
図２は画像光生成部１Ｒおよび光学素子２Ｒの周辺構成を示す概略図である。
図２に示すように、画像光生成部１Ｒは、光源１１と、ＭＥＭＳミラー１２と、を含む。本実施形態において、光源１１は青色、緑色、赤色のレーザー光を射出する複数のレーザー光源を含んでいる。ＭＥＭＳミラー１２は、レーザー光を反射することで光学素子２Ｒに入射させるマイクロミラーである。FIG. 2 is a schematic view showing the peripheral configuration of the image
As shown in FIG. 2, the image
画像光生成部１Ｒは、不図示の制御部からの画像信号に基づいて、ＭＥＭＳミラー１２により光源１１から射出したレーザー光を走査して光学素子２Ｒに時間順次で入射させることで画像光Ｇを形成する。 The image
光学素子２Ｒは、入射する画像光Ｇを観察者の右眼ＲＥに入射させる。
光学素子２Ｒは、反射型回折素子が積層された構造を有する。本実施形態において、光学素子２Ｒは、反射型回折素子を２層積層した構造を有する。The
The
例えば、光学素子２Ｒは、図２に示すように、画像光Ｇが入射する光入射面側に配置された内面側回折素子（第１反射型回折素子）２０と、該内面側回折素子２０の光入射面２０ｂと反対側の面２０ａに積層された外面側回折素子（第２反射型回折素子）３０と、を備えている。
内面側回折素子２０および外面側回折素子３０は、反射型体積ホログラムにより構成され、画像光Ｇを観察者の右眼ＲＥの瞳に集光する。For example, as shown in FIG. 2, the
The inner surface
内面側回折素子２０は、基材２１と、回折部２２と、を含む。
同様に、外面側回折素子３０は、基材３１と、回折部３２と、を含む。
基材２１および基材３１は、プラスチック（例えば、ＰＭＭＡ、ポリカーボネ−ト樹脂、アクリル系樹脂、非晶性のポリプロピレン系樹脂、ＡＳ樹脂を含むスチレン系樹脂等）やガラス（例えば、石英やＢＫ７等）から構成されている。The inner surface
Similarly, the outer surface side
The
回折部２２および回折部３２は、例えば、フォトポリマー材料から構成されており、内部から表面に亘って干渉縞がそれぞれ形成されている。この干渉縞は、後述のように球面波同士の干渉により形成される。 The
ここで、光学素子２Ｒ（内面側回折素子２０および外面側回折素子３０）の構造について説明する。 Here, the structure of the
図３は、光学素子２Ｒのシミュレーションモデルを示した図である。
図３は、例えば、右眼ＲＥの位置に相当する集光点（０，０）からＹ軸方向に３０ｍｍ離れた位置に内面側回折素子２０（回折部２２）、３５ｍｍ離れた位置に外面側回折素子３０（回折部３２）が配置され、ＭＥＭＳミラー１２に相当する集光点が右眼ＲＥの集光点（０，０）の真下３０ｍｍにある場合の計算結果のグラフを示している。FIG. 3 is a diagram showing a simulation model of the
For example, FIG. 3 shows that the inner surface side diffraction element 20 (diffracting portion 22) is located 35 mm away from the focusing point (0, 0) corresponding to the position of the right eye RE in the Y axis direction, and the outer surface is located 35 mm away. The graph of a calculation result in case the diffraction element 30 (diffraction part 32) is arrange | positioned and the condensing point corresponded to the
図４は、図３に基づいて求めた光学素子２Ｒの干渉縞の関係を示したシミュレーション結果を示すグラフである。図５は、図３に基づいて求めた光学素子２Ｒにおけるブラッグ角の関係を示したグラフである。なお、図４において、干渉縞間隔Ａとは内面側回折素子２０の回折部２２の干渉縞間隔に対応し、干渉縞間隔Ｂとは外面側回折素子３０の回折部３２の干渉縞間隔に対応する。また、図５において、ブラッグ角Ａとは回折部２２のブラッグ角に対応し、ブラッグ角Ｂとは回折部３２のブラッグ角に対応する。 FIG. 4 is a graph showing simulation results showing the relationship of interference fringes of the
図４に示されるように、体積ホログラム（回折部２２および回折部３２）のＸ座標が変化した場合、干渉縞の間隔が変化し、回折部２２および回折部３２の干渉縞の間隔の大小関係が逆転することがある。一般にＨＭＤに使用されるＸ座標の範囲（約±１０ｍｍ）に着目すれば、回折部３２側の干渉縞の間隔の方が狭い。これは、同じＸ座標で回折部２２および回折部３２を比較した場合、図５に示されるように回折部３２におけるブラッグ角の方が大きいことから導き出される。 As shown in FIG. 4, when the X coordinate of the volume hologram (the
ここで、干渉縞の間隔ｄは、ブラッグ条件ｄ＝λ／（ｓｉｎθｂ×２）から導き出される。なお、λとは入射する光の波長であり、θｂとはブラッグ角である。 Here, the spacing d of the interference fringes is derived from the Bragg condition d = λ / (sin θb × 2). Here, λ is the wavelength of incident light, and θb is the Bragg angle.
以上の計算結果に基づき、本実施形態では、内面側回折素子２０および外面側回折素子３０の同じＸ座標位置で回折部２２および回折部３２の干渉縞を比較した場合、内面側回折素子２０の回折部２２と外面側回折素子３０の回折部３２とは干渉縞の間隔を互いに異ならせている。具体的に、画像光に対して二層目に相当する回折部３２について、回折部２２よりも干渉縞の間隔を狭くしている。 Based on the above calculation results, in the present embodiment, when the interference fringes of the
以上のように、本実施形態の光学素子２Ｒは、上記内面側回折素子２０および外面側回折素子３０を積層した構造を有することで、画像光Ｇを回折させることで観察者の瞳に集光させることが可能である。 As described above, the
ところで、表示装置１０が観察者に装着された状態では、観察者の瞳と光学素子２Ｒとの距離が一定となるが、観察者の瞳にピンポイントで画像光を集光させることは現実的に困難である。そこで、本実施形態の光学素子２Ｒは、瞳に対する画像光の集光位置に所定のマージンを有している。 By the way, in the state in which the
例えば、光学素子２Ｒは、瞳の奥行方向の所定範囲に画像光を集光させるように設計されている。すなわち、光学素子２Ｒは、画像光Ｇの焦点が瞳Ｅ１の奥行方向の所定範囲内に位置する。本実施形態では、図６に示すように、瞳の奥行方向における焦点の位置ずれ許容範囲Ｄとして、瞳位置に対して±１２ｍｍとした。 For example, the
この許容範囲Ｄの数値（±１２ｍｍ）は、平均的な人の瞳から眼球回転中心までの距離に基づいて設定されるものである。この許容範囲を超えると、眼球の回転により視界が切れる部分が発生してしまい、画像の視認性が低下してしまうおそれがある。 The numerical value (± 12 mm) of the allowable range D is set based on the distance from the average human eye to the eyeball rotation center. If the allowable range is exceeded, a portion where the field of view is broken due to the rotation of the eye may occur, and the visibility of the image may be reduced.
本実施形態の光学素子２Ｒによれば、瞳の奥行方向の所定範囲（上記許容範囲Ｄ）内に画像光Ｇを集光させることができるので、眼球が回転した場合でも視界が切れてしまうことがなく、画像視認性に優れた表示装置１０を提供することができる。 According to the
また、光学素子２Ｒの設計レベルとして、画像光Ｇを瞳にピンポイントで集光させるといった高いものが要求されないことから、ある程度の製造誤差が許容されるようになる。よって、光学素子２Ｒの製造が容易となり、結果的に低コスト化を図ることも可能である。 In addition, since a high level such as focusing the image light G on the pupil at a pinpoint is not required as a design level of the
続いて、光学素子２Ｒの製造方法について図面を参照にしながら説明する。
まず、内面側回折素子２０を形成する。具体的に、基材２１を用意し、基材２１上に露光前のフォトポリマー材料（未露光材料）を塗布する。
そして、基材２１上のフォトポリマー材料を干渉露光により露光して回折部２２（干渉縞）を形成する（第１工程）。Subsequently, a method of manufacturing the
First, the
Then, the photopolymer material on the
このような干渉縞の形成方法は、従来の形成方法と同じとすればよい。図７は光学素子２Ｒの製造工程の要部として干渉縞の形成工程を示した図である。 The method of forming such interference fringes may be the same as that of the conventional method. FIG. 7 is a view showing a process of forming interference fringes as a main part of a process of manufacturing the
具体的には、例えば、図７（ａ）に示すように、フォトポリマー材料２０Ａに対し、一方の側の第１の所定の方向から物体光ＬＢを照射するとともに、他方の側の第２の所定の方向から参照光ＬＡを照射し、物体光ＬＢと参照光ＬＡとによって形成される干渉縞を、回折部２２を構成するフォトポリマー材料２０Ａの内部に記録する。 Specifically, for example, as shown in FIG. 7A, the object light LB is irradiated to the
なお、第１の所定の方向、第２の所定の方向、物体光ＬＢ及び参照光ＬＡの波長を適切に選択することで、回折部２２における干渉縞のピッチを所望の値に設定することができる。 The pitch of the interference fringes in the
続いて、外面側回折素子３０を形成する。具体的に、基材３１を用意し、基材３１上に露光前のフォトポリマー材料（未露光材料）を塗布する。
そして、基材３１上のフォトポリマー材料を干渉露光により露光して回折部３２（干渉縞）を形成する（第２工程）。Subsequently, the outer surface
Then, the photopolymer material on the
ところで、本実施形態の光学素子２Ｒは、内面側回折素子２０および外面側回折素子３０が積層されることで構成されている。ここで、外面側回折素子３０で回折された光は、内面側回折素子２０を透過する際に屈折した状態で観察者の瞳に射出される。そのため、外面側回折素子３０に干渉縞を形成する際、内面側回折素子２０の存在を考慮しないと、観察者の瞳位置からずれて、上述した許容範囲Ｄ外に画像光が集光してしまうおそれがある。 By the way, the
本実施形態では、上記課題を解決すべく、内面側回折素子２０の厚み分だけ物体光ＬＢから離す方向に移動した状態で回折部３２を構成するフォトポリマー材料３０Ａを露光するようにしている。このように所定量だけ移動したフォトポリマー材料３０Ａに対し、一方の側の第１の所定の方向から物体光ＬＢを照射するとともに、他方の側の第２の所定の方向から参照光ＬＡを照射し、物体光ＬＢと参照光ＬＡとによって形成される干渉縞をフォトポリマー材料３０Ａの内部に記録することで回折部３２を形成する。 In the present embodiment, in order to solve the above problem, the
なお、第１の所定の方向、第２の所定の方向、物体光ＬＢ及び参照光ＬＡの波長を適切に選択することで、回折部３２における干渉縞のピッチを上述のように回折部２２における干渉縞のピッチよりも狭く形成することができる。 By appropriately selecting the first predetermined direction, the second predetermined direction, and the wavelengths of the object light LB and the reference light LA, the pitch of the interference fringes in the
最後に、内面側回折素子２０および外面側回折素子３０を不図示の接着剤により貼り合せて光学素子２Ｒの製造が完了する。 Finally, the inner surface
このような構成により光学素子２Ｒを製造すれば、内面側回折素子２０の厚み分だけフォトポリマー材料３０Ａを移動した状態で露光するので、内面側回折素子２０および外面側回折素子３０が積層された状態で画像光を瞳に対して良好に集光させることができる。 If the
なお、内面側回折素子２０の厚み分だけフォトポリマー材料３０Ａを移動した状態で露光する際、フォトポリマー材料３０Ａの前方（物体光ＬＢ側）に内面側回折素子２０（基材２１および回折部２２）と同じ屈折率を有する光透過性部材（ダミー部材）９０を配置するようにしてもよい。
このようにすれば、内面側回折素子２０による屈折を考慮した状態で外面側回折素子３０の回折部３２の干渉縞が形成されるので、画像光を瞳に対してより高精度に集光させることができる。When the
In this way, the interference fringes of the
本実施形態の表示装置１０では、図２に示したように、ＭＥＭＳミラー１２で走査されることで光学素子２Ｒに入射した画像光Ｇは、まず内面側回折素子２０により１次回折光、０次回折光に分かれる。なお、さらに高次の回折光も生じる場合もあるが、これら高次の回折光は実用上問題とならないため、図示を省略している。 In the
０次回折光は、内面側回折素子２０を透過する透過０次回折光Ｌ０と、該内面側回折素子２０で反射される反射０次回折光（不図示）とを含む。The zeroth-order diffracted light includes transmitted zeroth-order diffracted light L0 transmitted through the inner surface
観察者の瞳には１次回折光のみが画像光Ｇとして入射する。一方、内面側回折素子２０を透過する透過０次回折光Ｌ０は、画像情報を持ちながらも観察者の瞳とは反対方向へ進むため、迷光や観察者以外の他人に観察されてしまうおそれがある。Only first-order diffracted light is incident as image light G on the observer's pupil. On the other hand, transmission zero-order diffracted light L0 passing through the inner surface
これに対し、本実施形態の光学素子２Ｒでは、内面側回折素子２０の光入射面と反対側に外面側回折素子３０により内面側回折素子２０で回折されずに透過した透過０次回折光Ｌ０の多くを回折して１次回折光Ｌ１として観察者の瞳に集光させることができる。その結果、光学素子２Ｒを透過して外部に射出されてしまう画像情報を持った光（透過０次回折光）の強度が低減するようになる。On the other hand, in the
したがって、本実施形態の表示装置１０によれば、光学素子２Ｒにおける観察者の瞳と反対側にいる別の観察者に画像光（透過０次回折光）を視認させ難くすることができるので、セキュリティー性を備えた信頼性の高い画像表示を行うことができる。 Therefore, according to the
（第２実施形態）
続いて、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態と第１実施形態との違いは光学素子の構造であり、それ以外の構成は共通である。以下では、第１実施形態と共通の構成および部材については同じ符号を付し、その詳細な説明については省略する。Second Embodiment
Subsequently, a second embodiment of the present invention will be described. The difference between the present embodiment and the first embodiment is the structure of the optical element, and the other configuration is common. In the following, the same components and members as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the detailed description thereof is omitted.
図８は本実施形態の光学素子の周辺構成を示す概略図である。
図８に示すように、本実施形態の光学素子４０は、観察者の瞳側が凹んだ湾曲形状となっている。光学素子４０は、上記実施形態と同様、画像光Ｇが入射する光入射面側に配置された内面側回折素子（第１反射型回折素子）１２０と、該内面側回折素子１２０の光入射面と反対側に積層された外面側回折素子（第２反射型回折素子）１３０と、を備えている。FIG. 8 is a schematic view showing the peripheral configuration of the optical element of the present embodiment.
As shown in FIG. 8, the
内面側回折素子１２０は、基材１２１と、回折部１２２と、を含む。
同様に、外面側回折素子１３０は、基材１３１と、回折部１３２と、を含む。
基材１２１および基材１３１は、プラスチック（例えば、ＰＭＭＡ、ポリカーボネ−ト樹脂、アクリル系樹脂、非晶性のポリプロピレン系樹脂、ＡＳ樹脂を含むスチレン系樹脂等）やガラス（例えば、石英やＢＫ７等）から構成されている。
また、回折部１２２および回折部１３２は、例えば、フォトポリマー材料から構成されており、内部から表面に亘って干渉縞がそれぞれ形成されている。The inner surface
Similarly, the outer surface side
The
The
本実施形態の光学素子４０によれば湾曲形状を呈しているため、像面（画像光Ｇ）の形状歪や非点収差を積層体の湾曲度合いにより補正することができる。よって、観察者は、歪みのない高品質な画像を視認することができる。 According to the
（第３実施形態）
続いて、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態と第１実施形態との違いは画像光生成部の構造であり、それ以外の構成は共通である。以下では、第１実施形態と共通の構成および部材については同じ符号を付し、その詳細な説明については省略する。Third Embodiment
Subsequently, a third embodiment of the present invention will be described. The difference between the present embodiment and the first embodiment is the structure of the image light generation unit, and the other configuration is common. In the following, the same components and members as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the detailed description thereof is omitted.
図９は本実施形態の光学素子の周辺構成である画像光生成部を示す概略図である。
図９に示すように、本実施形態の画像光生成部５０は、光源１１１と、ＭＥＭＳミラー１１２と、波長補償素子１１３と、を含む。本実施形態において、光源１１１は青色、緑色、赤色のレーザー光を射出する複数のレーザー光源を含んでいる。ＭＥＭＳミラー１１２は、レーザー光を反射することで光学素子２Ｒに入射させるマイクロミラーである。FIG. 9 is a schematic view showing an image light generation unit which is a peripheral configuration of the optical element of the present embodiment.
As shown in FIG. 9, the image
ところで、光源１１１を構成するレーザー光源は、例えば、変調する速度を速くする高速変調によって射出するレーザー光の波長が変化してしまうことがある。
光学素子２Ｒを構成する体積ホログラムは波長により回折角が異なるため、上述のようにレーザー光の波長が変化した場合に瞳に入射する画像光に位置ずれが生じ、画像が劣化する可能性がある。By the way, in the laser light source constituting the
Since the volume holograms constituting the
これに対し、本実施形態では、光源１１１の高速変調等による波長変化の影響を低減し投影画像の位置ずれ対策として波長補償素子１１３を用いている。波長補償素子１１３は、反射型回折光学素子を波長の変化した光に対して、波長の変化した光が光学素子２Ｒに入射する前に位置ずれを補償する方向に予め偏向させる素子として用いた。 On the other hand, in the present embodiment, the
波長補償素子１１３は、光学素子２Ｒと同様の構造を有している。例えば、波長補償素子１１３は、光源１１１からのレーザー光Ｌが入射する光入射面側に配置された内面側回折素子（第３反射型回折素子）６０と、該内面側回折素子２０の光入射面と反対側に積層された外面側回折素子（第４反射型回折素子）７０と、を備えている。 The
内面側回折素子６０は、基材６１と、回折部６２と、を含む。
同様に、外面側回折素子７０は、基材７１と、回折部７２と、を含む。
基材６１および基材７１は、プラスチック（例えば、ＰＭＭＡ、ポリカーボネ−ト樹脂、アクリル系樹脂、非晶性のポリプロピレン系樹脂、ＡＳ樹脂を含むスチレン系樹脂等）やガラス（例えば、石英やＢＫ７等）から構成されている。The inner surface
Similarly, the outer surface-
The base 61 and the base 71 may be made of plastic (for example, PMMA, polycarbonate resin, acrylic resin, amorphous polypropylene resin, styrene resin containing AS resin) or glass (for example, quartz or BK7 etc.) It consists of).
回折部６２および回折部７２は、例えば、フォトポリマー材料から構成されており、内部から表面に亘って干渉縞がそれぞれ形成されている。本実施形態において、回折部６２および回折部７２は、光学素子２Ｒ（回折部２２および回折部３２）と異なり、１次回折光を集光させる用途ではなく、略平行光入射および出射することができればよい。そのため、回折部６２および回折部７２はレンズ機能を有する必要が無く、入射位置によらず体積ホログラム全体で同じ干渉縞が記録されている。すなわち、回折部６２および回折部７２は、集光位置のずれの問題が生じないため、各々が同じ体積ホログラム（同じ干渉縞）となっている。 The diffractive portion 62 and the diffractive portion 72 are made of, for example, a photopolymer material, and interference fringes are formed from the inside to the surface, respectively. In the present embodiment, unlike the
このような構成に基づき、内面側回折素子６０および外面側回折素子７０は、光源１１１からのレーザー光Ｌを所定の回折角で回折してＭＥＭＳミラー１１２に入射させることが可能である。 Based on such a configuration, the inner surface
波長補償素子１１３に入射したレーザー光Ｌは、まず内面側回折素子６０により１次回折光、０次回折光に分かれる。０次回折光のうち、内面側回折素子６０を透過した光は、外面側回折素子７０により回折されて１次回折光として射出される。 First, the laser beam L incident on the
本実施形態の波長補償素子１１３は、高速変調等に伴ってレーザー光Ｌの波長が変化して通常と異なる波長帯の成分（光学素子２Ｒにおいて所望の回折角が得られない成分）を含んだ場合でも、瞳に入射する画像光の位置ずれを抑制できる光としてＭＥＭＳミラー１１２に入射させることが可能である。 The
波長補償素子１１３は、画像光生成部５０の光路の途中に設けられるため、１次回折光と同時に生じる０次光は表示装置１０の光学系中で迷光となり画像劣化の原因となるおそれがある。波長補償素子１１３は、外面側回折素子７０により内面側回折素子６０で回折されずに透過した透過０次回折光の多くを回折して１次回折光としてＭＥＭＳミラー１１２に入射させることができる。その結果、装置内において迷光となる０次回折光の強度が低下し、迷光による画像の劣化を抑制できる。 Since the
以上、本発明の一実施形態について説明したが上記内容に限定されることはなく、発明の主旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。 As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, it is not limited to the said content, It can change suitably in the range which does not deviate from the main point of invention.
上記実施形態では、内面側回折素子２０および外面側回折素子３０が、それぞれ基材２１、３１および回折部２２、３２を備える場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。例えば、内面側回折素子２０および外面側回折素子３０のいずれか一方が回折部のみから構成されていても良い。 In the said embodiment, although the case where the inner surface
例えば、外面側回折素子３０が回折部３２のみから構成されていても良い。この場合、回折部３２として粘着性を有するフォトポリマー材料を用い、該フォトポリマー材料に干渉縞を形成した後に内面側回折素子２０に貼付けることで光学素子２Ｒを形成すればよい。このようにすれば、基材３１の数を減らすことにより、光学素子２Ｒの薄型化が可能となり、装置構成の小型化及び軽量化を図ることができる。 For example, the outer surface
また、上記実施形態では、画像光生成部１Ｒ、１Ｌとして、光源１１からのレーザー光を水平走査及び垂直走査することで画像光Ｇを生成する構成を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。画像光生成部が、例えば、有機ＥＬ（Electro Luminescence）、無機ＥＬ、発光ダイオード（ＬＥＤ）といった発光素子から構成されていてもよい。あるいは、画像光生成部が、例えば、ＬＥＤ等の光源と液晶ライトバルブ或いはデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）との組合せから構成されていても良い。 In the above embodiment, the image light G is generated by horizontally scanning and vertically scanning the laser light from the
Ｇ…画像光、Ｅ１…瞳、Ｄ…許容範囲、１Ｒ，１Ｌ…画像光生成部、２Ｒ，２Ｌ，４０…光学素子、１０…表示装置、１１，１１１…光源、２０，６０…内面側回折素子（第１反射型回折素子）、２０ｂ…光入射面、２０Ａ，３０Ａ…フォトポリマー材料（未露光材料）、３０，７０，１３０…外面側回折素子（第２反射型回折素子）、９０…光透過性部材（ダミー部材）、１１３…波長補償素子、１２０…内面側回折素子（第３反射型回折素子）、１３０…外面側回折素子（第４反射型回折素子）。 G: image light, E1: pupil, D: allowable range, 1R, 1L: image light generation unit, 2R, 2L, 40: optical element, 10: display device, 11, 111: light source, 20, 60: inside surface side diffraction Element (first reflection type diffraction element) 20b: Light incident surface 20A, 30A Photopolymer material (unexposed material) 30, 70, 130 Outer surface side diffraction element (second reflection type diffraction element) 90 Light transmitting member (dummy member) 113: wavelength compensation element 120: inner surface side diffraction element (third reflection type diffraction element) 130: outer surface side diffraction element (fourth reflection type diffraction element).
Claims (8)
Translated fromJapanese前記画像光が入射する第１反射型回折素子と、
前記第１反射型回折素子の前記瞳とは反対側に積層される第２反射型回折素子と、を含む積層体からなり、
第２反射型回折素子は、前記第１反射型回折素子を透過した透過０次回折光を回折し、１次回折光として前記瞳に向けて偏向するものであることを特徴とする光学素子。An optical element for deflecting at least a part of image light toward a pupil of an observer,
A first reflective diffraction element on which the image light is incident;
Ri Do a laminate and a second reflection type diffraction element to be laminated on the opposite side of the pupil of the first reflecting type diffractionelement,
An optical element characterized in thatthe second reflective diffraction element diffracts transmitted zero-order diffracted light transmitted through the first reflective diffraction element and deflects it as first-order diffracted light toward the pupil .
請求項１〜６のいずれか一項に記載の光学素子と、を備えることを特徴とする画像表示装置。An image light generator for scanning light from a light source to generate image light;
An image display apparatus comprising: the optical element according to any one of claims 1 to 6.
前記波長補償素子は、前記光が入射する第３反射型回折素子と、
前記第３反射型回折素子における前記光の入射面とは反対側に積層される第４反射型回折素子と、を含むことを特徴とする請求項７に記載の画像表示装置。The image light generation unit further includes a wavelength compensation element provided on an optical path of the light from the light source toward the optical element,
The wavelength compensation element is a third reflection type diffraction element on which the light is incident;
8. The image display apparatus according to claim 7, further comprising: a fourth reflection type diffraction element stacked on the side opposite to the light incident surface of the third reflection type diffraction element.
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